基于冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃生物樣本庫的建設(shè)與管理

熊偉，黃玉釵

作者單位：430000 武漢，華中科技大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境與健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢）/省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—湖北省環(huán)境衛(wèi)生學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

疾病預(yù)防控制、臨床診治、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)管理的 有機(jī)結(jié)合已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要趨勢。2019年8月30日國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了《生物樣本庫質(zhì)量和能力通用要求》（GB/T 37864-2019），對推動(dòng)我國生物樣本庫的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建和學(xué)科建設(shè)與發(fā)展具有重要的意義，也標(biāo)志著國內(nèi)生物樣本庫建設(shè)進(jìn)入了全面實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的新時(shí)代。

生物樣本及相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的采集、制備、保存、測試、分析和分發(fā)的合法實(shí)體稱為生物樣本庫（biobank）[1]。生物樣本對提升人類健康醫(yī)療水平和推動(dòng)生物技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。生物樣本的質(zhì)量是科研水平及生物制品研發(fā)的基礎(chǔ)保障，科學(xué)規(guī)范的實(shí)體樣本庫是樣本得以安全有效保存的必要條件[2-4]。生物樣本庫的發(fā)展已不斷趨向大型化、自動(dòng)化、智能化和信息化。但是，國際上尚缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。近年來，我國生物樣本庫的建設(shè)備受重視，雖已建成多個(gè)實(shí)體庫，但規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理模式各不相同。

-86 ℃ 超低溫冰箱是國內(nèi)外儲(chǔ)存生物樣本的常選設(shè)備[6]，對其所處環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)化管理有助于提高樣本保藏的質(zhì)量和安全性。目前，有關(guān) -86 ℃ 超低溫冰箱存放基礎(chǔ)設(shè)施、專用場地和環(huán)境建設(shè)，以及相關(guān)技術(shù)要求、布局、運(yùn)行安全和冷鏈監(jiān)控管理的研究報(bào)道不多，在應(yīng)急管理方面尚缺少正式的應(yīng)急預(yù)案、樣本轉(zhuǎn)移方案等[7]。我院通過 10 余年的努力，以約 300 臺(tái) -86 ℃ 超低溫冰箱為主要保存設(shè)備，現(xiàn)已建成五個(gè)生物樣本庫，并探索出生物樣本庫的數(shù)字化監(jiān)控與科學(xué)管理辦法，為相關(guān)科研工作的可持續(xù)性發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

本研究意在交流我院基于管理 -86 ℃ 超低溫冰箱而建設(shè)生物樣本庫的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期為我國生物樣本庫管理及其標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)提供參考。

1 環(huán)境建設(shè)與規(guī)劃體系

生物樣本庫標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建不僅需考慮樣本、設(shè)備和人員配備這三大要素，還應(yīng)科學(xué)規(guī)劃生物樣本庫的基礎(chǔ)設(shè)施、場地布局、低溫保藏設(shè)備的安全監(jiān)管和規(guī)范維護(hù)[8]。通過建立含門禁視頻監(jiān)控的安全管理技術(shù)體系，可實(shí)現(xiàn)生物樣本庫的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、安全化的管理。

生物樣本庫的基礎(chǔ)設(shè)施、專用場地和環(huán)境應(yīng)符合一定標(biāo)準(zhǔn)，既要便于保藏樣本，又不易影響樣本質(zhì)量。在保障人員安全和樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，還應(yīng)測量、監(jiān)測、控制和記錄生物樣本的環(huán)境條件，制定應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，確保生物樣本庫的正常運(yùn)行。

根據(jù)樣本特性，為保證其質(zhì)量及安全，自樣本的采集到其利用始終保持低溫狀態(tài)的全流程稱為冷鏈[9]。生物樣本取出、保藏運(yùn)輸以及存入樣本庫的各環(huán)節(jié)均應(yīng)保證低溫，這一低溫操作流程即一條冷鏈。生物樣本庫的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)覆蓋整條冷鏈，對樣本的采集、分放、歸類、入庫和出庫等各環(huán)節(jié)實(shí)施監(jiān)控。此外，保存生物樣本的超低溫冰箱等設(shè)備是否正常運(yùn)行，低溫冷藏設(shè)備運(yùn)行環(huán)境參數(shù)（如溫度、通風(fēng)等）也應(yīng)在監(jiān)控范圍內(nèi)。

1.1 環(huán)境建設(shè)

目前國內(nèi)建立的生物樣本庫大多類似于樣本“庫房”，只具備簡單的存儲(chǔ)功能[10]，往往忽視對生物樣本庫的環(huán)境建設(shè)、安全管理、冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)的要求。因此，全面加強(qiáng)對生物樣本庫環(huán)境的安全建設(shè)和科學(xué)管理十分必要。樣本庫建設(shè)必須首先對場地進(jìn)行規(guī)劃，并保障地面、通風(fēng)系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電源配備、照明設(shè)施、清潔配套設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施配置齊全。

對于大部分生物樣本庫而言，適宜的環(huán)境溫度為 15 ～ 22 ℃。為防止機(jī)械冷柜和冷凍機(jī)壓縮機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷過大，避免機(jī)器過度磨損和過早出現(xiàn)故障，必須在生物樣本庫中配備功率足夠的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備，以確保環(huán)境溫度控制在限值范圍，生物樣本庫內(nèi)，尤其是低溫保藏設(shè)備處，應(yīng)保障充足的空氣循環(huán)空間，防止多余的熱量積聚，對壓縮機(jī)的功能產(chǎn)生不利影響；應(yīng)保證液氮和干冰使用區(qū)域具有良好的通風(fēng)條件，以維持充足的氧氣濃度。

1.2 設(shè)備布局

以 -86 ℃ 超低溫冰箱為例，距離墻面或超低溫冰箱彼此的最小間距為 20 cm，以方便開門取樣及保證設(shè)備間有 足夠的通風(fēng)空間，每臺(tái)設(shè)備實(shí)際占地面積約為 2.54 m2。合理布局可避免因壓縮機(jī)系統(tǒng)在高溫環(huán)境下運(yùn)行負(fù)荷過大導(dǎo)致低溫保藏設(shè)備損壞，從而延長設(shè)備使用年限；集中分散 放置的低溫保藏設(shè)備并加以規(guī)范管理和維護(hù)，可節(jié)約空間和資源。

1.3 人員配備與責(zé)任

生物樣本庫的責(zé)任人必須切實(shí)履行管理工作職責(zé)，最好具備類似的管理經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)培訓(xùn)考核通過后方可上崗。從事生物樣本庫的工作人員應(yīng)具有中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會(huì)組織生物樣本庫分會(huì)頒發(fā)的上崗證書。

1.4 低溫保藏設(shè)備的選用

生物樣本庫設(shè)備的選擇和使用，包括設(shè)備的狀態(tài)都會(huì)對采集、接收、處理、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和檢測的樣本及相關(guān)信息的質(zhì)量產(chǎn)生影響。根據(jù)生物樣本庫中保存的生物樣本類型的不同，應(yīng)該選擇相應(yīng)的設(shè)備，具體的保存設(shè)備如圖 1 所示。對于組織蠟塊切片樣本采用常溫保存或 -20 ℃ 低溫冰箱保存；短期血液適用 4 ℃ 冰箱保存；保存血漿/DNA 等樣本可選用 -40 ℃ 冰箱；如果要長期保存 DNA、血清、血漿和組織等樣本，推薦 -86 ℃ 超低溫冰箱（我院采用的主要保藏設(shè)備）；需要長期保存的 RNA、組織、細(xì)胞、蛋白等樣本在條件允許的情況下可選用 -150 ℃ 超低溫冰箱和 -190 ℃ 液氮罐。

1.5 環(huán)境參數(shù)的評估

生物樣本庫中應(yīng)配置足夠的空調(diào)和通風(fēng)設(shè)施，以使機(jī)械制冷設(shè)備能達(dá)到其理想壽命。由于低溫保藏設(shè)備運(yùn)行時(shí)釋放大量熱量，在空調(diào)配置設(shè)計(jì)中，應(yīng)在普通居家或一般庫房用途估算空調(diào)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，增補(bǔ)設(shè)備運(yùn)行散熱所需的空調(diào)負(fù)荷。此外，還應(yīng)結(jié)合地域的氣象特點(diǎn)，對生物樣本庫的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行概算，提出生物樣本庫應(yīng)配套的空調(diào)配置參數(shù)和數(shù)量需求。

1.5.1 一般用途庫房空調(diào)負(fù)荷的估算 一般用途庫房的空調(diào)負(fù)荷受到樓層、窗戶、墻體、照明裝置及其他電器設(shè)備的影響，以庫房單位空調(diào)負(fù)荷 100 W/m2計(jì)算，普通庫房總負(fù)荷 W = S（房間面積）× 100。

1.5.2 冰箱散熱所需空調(diào)負(fù)荷的估算 -86 ℃ 超低溫冰箱正常運(yùn)行時(shí)的平均輸入功率為 1200 W?？紤]設(shè)備在設(shè) 定工作溫度下有開停機(jī)，是非持續(xù)的運(yùn)行，其放熱量擬按 1000 W/臺(tái)計(jì)算。設(shè)備總負(fù)荷 W = n（設(shè)備臺(tái)數(shù)）× 1000。 這部分熱量將成為主要空調(diào)負(fù)荷。

綜上，該設(shè)備間在設(shè)計(jì)房間溫度下（32 ℃ 以下）正常運(yùn)行時(shí)，空調(diào)總負(fù)荷 W =普通庫房總負(fù)荷 + 設(shè)備總負(fù)荷。

2 冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境因素可影響低溫保藏設(shè)備的工作狀態(tài)，從而間接影響生物樣本質(zhì)量，因此，需要通過建立冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)對生物樣本庫的溫度、濕度等環(huán)境因素實(shí)施監(jiān)控。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控模式下用戶存在以下困擾，無法及時(shí)查看和分析冷鏈設(shè)備使用狀況和性能、無法及時(shí)了解并解決冷鏈設(shè)備出現(xiàn)的溫度波 動(dòng)[11]，并可能由此造成樣本損壞。環(huán)境監(jiān)控的系統(tǒng)應(yīng)盡量考慮到完整的冷鏈系統(tǒng)，并因地制宜、有所取舍地進(jìn)行配置。對于從事樣本長期保藏和處理的中心樣本庫，需盡量采用較為全面的環(huán)境監(jiān)控措施，這種全方位的監(jiān)控手段可保證某項(xiàng)監(jiān)控出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以排除。

冷鏈監(jiān)控解決方案如圖 2。智能采集器通過局域網(wǎng)將采集的環(huán)境和設(shè)備溫度數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的中繼器模塊；客戶端服務(wù)器則通過向中繼器傳輸請求指令以接收中繼器模塊獲取的溫濕度數(shù)據(jù)；可以通過客戶端軟件查看、分析和處理接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)冷鏈設(shè)備溫度超過設(shè)定值，冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)將通過三種報(bào)警方式提醒指定管理人員：響聲報(bào)警、手機(jī)短信報(bào)警、語音電話報(bào)警。在客戶端可通過聲音報(bào)警和信息滾動(dòng)報(bào)警兩種方式實(shí)現(xiàn)對超溫信息的預(yù)警，客戶端服務(wù)器也可同時(shí)將超溫信息以短信的方式發(fā)送到指定的手機(jī)，或撥打固定電話進(jìn)行語音報(bào)警。

通過已建立的冷鏈監(jiān)控及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)對環(huán)境及超低溫冰箱的溫濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，設(shè)定啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的溫濕度閾值。數(shù)據(jù)異常監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)以響聲、短信和電話三種報(bào)警方式提醒指定管理人員。

通過已建立的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)對低溫保藏設(shè)備供電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。一旦出現(xiàn)停電、跳閘、電源松脫等故障，局域網(wǎng)中繼器模塊接收并保存故障超低溫冰箱的智能采集模塊所采集的電源通、斷數(shù)據(jù)，隨后及時(shí)將異常數(shù)據(jù)通過短信 模塊以短信和電話兩種方式報(bào)警。

圖2 冷鏈監(jiān)控解決方案

通過已建成的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控樣本庫的環(huán)境，以確保生物樣本庫的濕度在 35% ～ 75% 范圍。如生物樣本環(huán)境濕度超出該范圍時(shí)，冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)管理端的短信模塊和電話本模塊即以短信和電話兩種方式報(bào)警，提醒管理人員開啟除濕機(jī)。

通過對冷鏈設(shè)備溫度超溫短信報(bào)警和有線監(jiān)控，讓用戶隨時(shí)了解低溫保藏設(shè)備的運(yùn)行狀況，保證樣本的安全，真正實(shí)現(xiàn)全日無憂。此外，用冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析功能可替代手工記錄相關(guān)信息的方法，不僅降低了相關(guān)人力成本，還保證了管理數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3 安全監(jiān)管系統(tǒng)

局域網(wǎng)已廣泛用于各行各業(yè)共享軟件或硬件資源，形成的多臺(tái)計(jì)算機(jī)與設(shè)備設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)連接為實(shí)現(xiàn)生物樣本庫的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)管起到了關(guān)鍵作用。安全監(jiān)管系統(tǒng)充分利用了局域網(wǎng)的優(yōu)勢用于生物樣本庫的安全管理[12-14]。建立智能邏輯鑒權(quán)門禁功能、視頻監(jiān)控錄像功能于一體的全數(shù)字化管理系統(tǒng)，在保障生物樣本庫設(shè)備設(shè)施安全的同時(shí)為全時(shí)段方便取樣提供有效保障。采用授權(quán)進(jìn)出可避免閑雜人員進(jìn)入，保證設(shè)施設(shè)備和生物樣本的安全，方便了授權(quán)用戶全天 24 小時(shí)的隨時(shí)取樣，保障生物樣本庫低溫保藏設(shè)備在適宜環(huán)境中在 24 小時(shí)監(jiān)控下的運(yùn)行，通過局域網(wǎng)安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭以便管理人員遠(yuǎn)程查看生物樣本庫設(shè)備運(yùn)行以及人員入庫、出庫情況，協(xié)助管理員監(jiān)控在存取樣品過程中是否有違規(guī)操作現(xiàn)象，為教學(xué)和科研工作保駕護(hù)航。

4 生物樣本庫的應(yīng)急管理

4.1 配備應(yīng)急供電裝置

建立電源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)通過短信/電話方式向用戶報(bào)警設(shè)備因停電或插頭插座松脫斷電信息，由此降低影響生物樣本保藏質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)。

對重要的冷鏈監(jiān)控設(shè)備，如電腦應(yīng)配備不間斷應(yīng)急電源，從而可確保在斷電時(shí)能持續(xù)供電 15 ～ 30 min，從而降低監(jiān)控設(shè)備因斷電無法正常工作而影響保藏生物樣本質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)。建議有條件的樣本庫配備雙路供電系統(tǒng)，并能在停電時(shí)短期內(nèi)自動(dòng)啟用線路切換供電；小規(guī)模生物樣本庫可配備用發(fā)電機(jī)在停電時(shí)作為替代電源，從而降低因長時(shí)間斷電對樣本庫低溫保藏設(shè)備的損壞及其對保存的生物樣本質(zhì)量的不利影響的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 制定樣本轉(zhuǎn)移應(yīng)急預(yù)案

機(jī)械制冷保藏設(shè)備與公用電源系統(tǒng)相連，因此應(yīng)當(dāng)制定相關(guān)的備用電源計(jì)劃和應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃。保藏材料顯著升溫 的所需時(shí)長與材料的性質(zhì)、機(jī)械制冷保藏設(shè)備中所保藏材料的溫度（熱負(fù)荷）、環(huán)境溫度以及裝置的設(shè)計(jì)和維護(hù)情況有關(guān)。機(jī)械制冷保藏設(shè)備必須配備低溫保藏設(shè)備作為緊急設(shè)備，以便在設(shè)備出現(xiàn)故障和較長時(shí)間斷電時(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)移設(shè)備中的樣本。

應(yīng)急處置預(yù)案要結(jié)合樣本庫的實(shí)際情況，樣本庫管理員需負(fù)責(zé)預(yù)案的制定和落實(shí)。制定預(yù)案時(shí)考慮各種可能的處理方案，以便緊急情況下選用。如考慮冰箱鑰匙的存放位置、密碼的設(shè)置，以及轉(zhuǎn)運(yùn)樣本時(shí)需要的低溫保藏設(shè)備如轉(zhuǎn)運(yùn)盒、冰袋等。應(yīng)根據(jù)樣本庫的規(guī)模配置備用保藏設(shè)備，建議每 10 臺(tái)超低溫冰箱配備 1 臺(tái)備用設(shè)備。以備某臺(tái)超低溫冰箱故障時(shí)有足夠的空間應(yīng)急轉(zhuǎn)移樣本。備用冰箱須全空保持正常運(yùn)行狀態(tài)，否則發(fā)生需要轉(zhuǎn)移樣本的情況再開機(jī)啟用就來不及正常使用了。制定樣本庫低溫保藏設(shè)備應(yīng)急處置預(yù)案，最大程度降低樣本安全風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合已建立的遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)停電或其他故障致凍存設(shè)備溫度升到設(shè)定閾值時(shí)，此報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)送短信和（或）電話通知管理人員，以便及時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)、查找故障原因，并根據(jù)實(shí)際情況判斷是否轉(zhuǎn)移樣本，同時(shí)做好報(bào)警信息記錄和生物樣本轉(zhuǎn)移信息記錄，及時(shí)通知生物樣本的負(fù)責(zé)人。事后及時(shí)對故障設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)。

5 小結(jié)

以冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)為主導(dǎo)，結(jié)合局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生物樣本庫的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅利于生物樣本庫的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的科學(xué)管理，而且對生物樣本的安全性給予根本保障，尤其適于獨(dú)立單元建設(shè)的生物樣本庫，可為生物樣本的安全性和可持續(xù)性科學(xué)價(jià)值提供保障，同時(shí)也是培養(yǎng)高水平醫(yī)學(xué)專業(yè)人才隊(duì)伍，提升醫(yī)療衛(wèi)生科研水平的戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要基礎(chǔ)。